KR100638892B1

KR100638892B1 - 발광다이오드 패키지 제조방법

Info

Publication number: KR100638892B1
Application number: KR1020050098500A
Authority: KR
Inventors: 김용석; 최석문; 박지현; 김용식
Original assignee: 삼성전기주식회사
Priority date: 2005-10-19
Filing date: 2005-10-19
Publication date: 2006-10-27

Abstract

본 발명은 발광다이오드 패키지에 관한 것으로서, 발광다이오드의 실장영역과 상기 발광다이오드와 연결될 금속배선을 갖는 패키지 기판을 마련하는 단계와, 상기 금속배선과 연결되도록 상기 패키지 기판의 실장영역에 발광다이오드를 실장하는 단계와, 상기 발광다이오드가 밀봉되도록 상기 발광다이오드의 실장영역에 수지몰딩부를 형성하는 단계와, 상기 수지몰딩부의 표면에 광산란을 위한 다수의 미세 요철이 형성되도록 상기 수지몰딩부 표면에 플라즈마 처리하는 단계를 포함하는 발광다이오드 패키지 제조방법을 제공한다.

플라즈마 처리(plasma treatment), 발광다이오드(light emitting diode), 패키지(package), 실리콘 웨이퍼(Si wafer)

Description

발광다이오드 패키지 제조방법{METHOD OF FABRACATING LIGHT EMITTING DIODE PACKAGE}

도1은 통상적인 발광다이오드 패키지 구조를 나타내는 측단면도이다.

도2는 본 발명에 따른 발광다이오드 패키지 제조공정을 설명하기 위한 공정순서도이다.

도3은 본 발명에서 사용되는 플라즈마처리장치를 나타내는 개략도이다.

도4는 본 발명에 따른 제조방법으로 얻어진 발광다이오드 패키지 구조를 개략적으로 나타내는 단면도이다.

도5a 및 도5b는 각각 수지몰딩부 표면에 플라즈마 처리 전(종래예)과 후의 표면을 촬영한 AFM사진이다.

도6a 및 도6b는 수지몰딩부 표면에 플라즈마 처리 전(종래예)의 배광특성을 나타내는 그래프이다.

도7a 및 도7b는 본 발명에 따른 수지몰딩부 표면에 플라즈마 처리 후(실시예)의 배광특성을 나타내는 그래프이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호설명>

50: 발광다이오드 패키지 41,51: 하부 패키지기판

42,52: 상부 패키지 기판 44a,44b,54a,54b: 리드프레임

58: 발광다이오드 칩 59: 수지 몰딩부

본 발명은 발광다이오드 패키지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 수지몰딩부로부터의 광추출효율을 향상시킨 새로운 발광다이오드 패키지 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로, 발광다이오드는 이동통신기기 등 소형 전자기기를 비롯하여 신호등, 자동차용 램프 등의 대형 디스플레이에 걸쳐 다양하게 채용되고 있다. 이러한 발광다이오드는 외부의 열, 수분과 같은 환경으로부터 보호하기 위해서 패키지형태로 제공된다. 도1은 종래의 발광다이오드 패키지를 나타내는 단면도이다.

도1을 참조하면, 상기 발광다이오드 패키지(10)는 하부기판(11)과 상기 캐비티가 형성된 상부기판(12)을 포함하며, 상기 하부기판(11)은 리드프레임(14a,14b), 도전성 비아홀(15a,15b) 및 본딩패드(16a,16b)와 같은 적절한 금속배선이 형성된다. LED(18)는 캐비티영역으로 정의된 실장영역에 탑재되어 와이어와 같은 본딩수단을 통해 리드프레임(14a,14b)에 접속될 수 있다. 상기 LED(18)가 실장된 영역에 는 수지몰딩부(19)가 형성된다. 상기 수지몰딩부(19)는 통상적인 LED(18)의 보호기능과 함께 특정 형광체분말을 함유하여 파장변환기능을 수행할 수 있다.

하지만, 수지몰딩부(19)의 주재는 실리콘, 에폭시 또는 우레탄계 수지 또는 그 혼합물과 같이, 공기보다 큰 굴절률을 갖는 물질이 사용되므로, 상대적으로 낮은 공기로 추출되는 광량이 적다는 문제가 있다.

또한, 도시되지 않았으나, 일반적으로 휘도 및 배광특성을 향상시키기 위해서, 렌즈구조물을 상기 수지몰딩부의 표면에 장착할 것이 요구되므로, 추가적인 부품에 따른 비용 및 그에 따른 공정이 추가되는 문제가 있다.

본 발명은 상기한 종래 기술의 문제를 해결하기 위한 것으로서, 그 목적은 수지몰딩부 표면에 대한 간단한 플라즈마 표면처리를 통해서, 광추출효율뿐만 아니라, 배광특성을 개선할 수 있는 요철을 형성할 수 있는 새로운 발광다이오드 패키지 제조방법을 제공하는데 있다.

상기한 기술적 과제를 향상시키기 위해서, 본 발명은

발광다이오드의 실장영역과 상기 발광다이오드와 연결될 금속배선을 갖는 패키지 기판을 마련하는 단계와, 상기 금속배선과 연결되도록 상기 패키지 기판의 실장영역에 발광다이오드를 실장하는 단계와, 상기 발광다이오드가 밀봉되도록 상기 발광다이오드의 실장영역에 수지몰딩부를 형성하는 단계와, 상기 수지몰딩부의 표면에 광산란을 위한 다수의 미세 요철이 형성되도록 상기 수지몰딩부 표면에 플라즈마 처리하는 단계를 포함하는 발광다이오드 패키지 제조방법을 제공한다.

구체적으로, 상기 수지몰딩부는 에폭시 수지, 실리콘계 수지, 우레탄계 수지 또는 그 혼합물로 이루어질 수 있다.

본 발명에서 채용되는 플라즈마 처리공정은, 불활성 가스와 산소 가스가 혼합된 분위기에서 300∼1500W의 출력으로 1∼10분 동안 실시하는 것이 바람직하다. 이 경우에, 플라즈마처리 분위기는 불활성 가스와 산소 가스가 1:1∼3:1로 혼합된 분위기인 것이 바람직하다.

나아가, 플라즈마 처리효과를 향상시키기 위해서, 상기 플라즈마 처리공정은, 상기 패키지 기판을 열처리하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이 경우에, 상기 열처리 온도는 80∼120℃일 수 있다.

본 발명의 구체적인 실시형태에서, 상기 패키지 기판은 열전도성이 비교적 우수한 실리콘 기판, 금속기판, 세라믹기판 또는 폴리머기판일 수 있다. 상기 패키지기판은, 상기 실장영역에 대응하는 위치에 측벽이 상부를 향해 경사진 캐비티가 형성된 상부기판과, 상면 일영역이 상기 실장영역으로 제공되며 상기 금속배선이 형성된 하부기판을 포함할 수 있다.

특히, 추가적으로 광추출효율을 향상시키기 위해서, 상기 상부기판의 경사진 내부측면에는 금속 반사층이 추가적으로 형성될 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.

도2와 같이, 본 발명에 따른 발광다이오드 패키지 제조방법은 패키지기판을 마련하는 단계(21)로 시작된다. 상기 패키지기판은 비교적 열방출 및 가공성이 우수한 실리콘 기판일 수 있으나, 이에 한정되지 않으며, 열전도성이 우수한 세라믹기판, 구리 또는 알루미늄과 같은 금속기판 및 폴리카보네이트와 같은 폴리머 기판등이 사용될 수 있다. 본 발명에서 사용되는 패키지 기판은 복수개의 패키지구조를 얻기 위한 웨이퍼인 것이 바람직하다.

이어, 단계(23)에서는,상기 패키지 기판의 실장영역에 발광다이오드를 실장한다. 실장되는 발광다이오드는 추가적인 서브마운트기판을 포함한 칩일 수 있다. 상기 발광다이오드는 패키지기판 상에 미리 마련된 리드프레임에 와이어과 같은 본딩수단을 통해 연결될 수 있다.

다음으로, 단계(25)에서는, 상기 발광다이오드가 밀봉되도록 상기 발광다이오드의 실장영역에 수지몰딩부를 형성한다. 수지몰딩부는 에폭시 수지, 실리콘계 수지, 우레탄계 수지 또는 그 혼합물일 수 있다. 또한, 백색 발광장치에서는, 수지몰딩부에 YAG 또는 TAG와 같은 필요한 형광체분말을 추가하여 몰딩부를 형성할 수 있다.

끝으로, 단계(27)에서는, 수지몰딩부의 표면에 플라즈마 표면처리함으로써 그 표면에 요철을 형성한다. 상기 요철부는 광산란을 통해 발광다이오드로부터 생성된 광을 효과적으로 추출시킬 수 있는 미세구조로 제공되며, 이로써 광추출효율을 향상시킬 수 있다. 이러한 플라즈마 표면처리공정은 수지몰딩부 형성공정 후에 웨이퍼 레벨에서 실시가능하므로, 적절한 조건에서 광추출 효율을 향상시킬 수 있는 패키지를 대량 생산하는데 매우 유익하다.

도3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 플라즈마 처리장치(30)는 플라즈마형성을 위한 반응챔버(31)을 포함한다. 상기 반응챔버(31)는 패키지기판(35)을 지지할 수 있는 기판홀더(36)를 갖는다. 전원공급부(32)에 의해 고전력이 인가되면 공급되는 반응가스는 상기 챔버(31) 내에서 방전플라즈마(34)를 형성하고, 패키지(35)에 형성된 수지몰딩부(미도시) 표면에 충돌하여 그 표면을 개질시킬 수 있다.

상기 반응챔버 내에 진공압력은 10∼100mTorr 범위가 바람직하다. 또한, 반응가스로는 실리콘과 같은 패키지기판과 원하지 않는 화학반응이 발생되지 않도록, N₂ 또는 Ar과 같은 불활성 가스와 함께, 수지몰딩부 표면의 적절한 텍스처링을 유도 하기 위한 산소가스를 혼합하여 사용하는 것이 바람직하다. 바람직하게는, 불활성가스와 산소가스의 비율은 1:1∼3:1인 것이 바람직하며, 약 1.5:1인 것이 가장 바람직하다. 산소가스가 지나치게 많은 경우에는 원하지 않는 부분에서 반응이 발생되어 패키지에 손상을 줄 수 있으며, 산소가스가 적은 경우에는 미세요철을 형성하기 위한 충분한 표면 텍스처링효과를 기대하기 어렵다.

플라즈마 처리시에 공급전력 및 시간은 부착강도 향상을 위해 표면이 개질되면서 기판에 원하지 않는 손상을 가하지 않도록 적절한 범위로 실시된다. 바람직하게 300∼1500W이며, 보다 바람직하게는 700∼900W로 실시한다. 플라즈마처리시간은 1∼10분 정도가 바람직하다. 또한, 기판온도를 가열한 상태에서 플라즈마의 영향을 촉진시킬 수 있다. 이러한 효과를 위한 바람직한 기판온도범위는 80∼120℃일 수 있다.

본 발명에 따른 플라즈마 처리공정에 의해 수지몰딩부는 미세 요철구조가 형성되고, 처리전의 매끄러운 표면에서 기대하기 어려운 광추출개선효과를 얻을 수 있다. 이에 대해서는, 아래 기술될 본 발명의 구체적인 실시예를 통해 설명하기로 한다.

도4을 참조하면, 상기 발광다이오드 패키지(40)는 금속배선이 형성된 하부기 판(41)과 상기 캐비티가 형성된 상부기판(42)을 포함한다. 상기 상부기판(42) 및 하부기판(41)은 각각 실리콘 기판일 수 있다. 상기 하부기판(41)에 형성된 금속배선은 상면에 형성된 리드프레임(44a,44b), 하면에 형성된 본딩패드(46a,46b) 및 리드프레임(44a,44b)과 본딩패드(46a,46b)를 각각 연결하는 도전성 비아홀(45a,45b)로 구성될 수 있다. 상기 상부기판(42)은 실장영역을 정의하는 캐비티가 형성된다. 상기 캐비티의 측벽은 상부를 향해 경사진 면를 가지며, 그 경사면은 반사면으로 활용될 수 있다. 상기 LED(48)는 캐비티로 정의된 실장영역에 탑재되어 리드프레임(44a,44b)에 접속된다. 상기 LED(48)가 실장된 영역에는 수지몰딩부(49)가 형성된다. 이러한 수지몰딩부(49)는 에폭시수지, 실리콘계 수지, 우레탄계 수지 또는 그 혼합물로 이루어질 수 있으며, 필요에 따라 특정 형광체분말이 추가될 수 있다.

상기 수지몰딩부(49)는 도2 및 도3에서 설명된 플라즈마 처리공정을 통해 표면이 개질된 상태를 갖는다. 즉, 앞서 제시된 적절한 조건의 플라즈마 처리공정에 의해, 상기 수지몰딩부(49)의 표면은 미세한 요철을 갖는다.

이러한 요철구조는 LED로부터 생성된 광이 수지몰딩부(49)로부터 공기중으로 효과적으로 산란시키는 것을 도모할 수 있다. 또한, 미세한 요철을 갖는 표면은 처리 전의 매끄러운 표면에서보다 배광특성도 탁월하게 개선되는 효과가 있다(실시예 참조). 이와 같이, 본 발명에 따르면, 휘도 및 배광특성을 향상시키기 위한 렌즈구조물을 생략하거나, 렌즈구조와 결합하여 보다 뛰어난 휘도 및 배광특성의 향상을 기대할 수 있다.

이하, 본 발명에 따른 실시예와 비교예를 통해 본 발명에서 채용되는 플라즈마 및 열처리공정의 조건과 그에 따른 효과를 보다 상세히 설명한다.

( 실시예 )

우선, 패키지기판으로서 실리콘 웨이퍼를 이용하여 발광다이오드 패키지에 도4와 유사한 구조를 갖는 3개의 발광다이오드 패키지를 제조하였다. 이 때에, 수지몰딩부는 에폭시:실리콘을 40wt%:60wt%로 혼합한 수지를 주재로 사용하였으며, 주재와 경화제를 1.15:1로 혼합하여 0.1MPa의 진공도에서 21분동안 탈포공정을 통해 공기 및 수분을 제거하였다. 0.5㎛의 주입기를 갖는 디스펜서를 이용하여 수지몰딩부를 형성한 후에, 10 ㎏f/㎠의 압력에서 1∼2초동안 도팅(dotting)한 후에 90℃/30분, 150℃/60분인 2단계 경화공정을 실시하였다.

이렇게 얻어진 3개의 발광다이오드 패키지에 대해서, 각각 휘도 및 배광특성을 측정하였다.

이어, 상기 3개의 발광다이오드 패키지에 대해서, 본 발명에서 채용되는 플라즈마 처리공정을 적용하였다. 즉, 3개의 발광다이오드 패키지를 약 50 mTorr압력하의 반응챔버에 투입한 후에, 반응가스로 Ar과 O₂를 약 1.5:1로 제공하고 플라즈마 형성을 위해서 전력을 약 800W로 인가하였다. 여기서, 플라즈마 처리효과를 높히기 위해서, 추가적으로 패키지기판을 약 90℃로 가열하였다. 이러한 플라즈마 처리공정은 약 3분간 지속한 후에 반응챔버로부터 3개의 발광다이오드 패키지를 취출하여 각각에 대해서 앞서 실시한 휘도 및 배광특성 측정을 동일한 방식으로 실시하였다.

그 중 하나의 샘플(표2의 샘플3)에 대해서 AFM을 이용하여 플라즈마 처리된 수지몰딩부를 촬영하였다. 촬영된 표면의 사진은 도5a 및 도5b에 도시되어 있다.

도5a에 도시된 수지몰딩부의 표면(플라즈마 처리전)에 비해, 도5b에 도시된 수지몰딩부의 표면(플라즈마 처리후)가 매우 거친 상태를 나타낸다. 이는 미세 요철이 플라즈마 표면처리를 통해 형성되었다는 사실을 확인해주는 결과이다.

보다 구체적으로, 미세요철형성을 확인하기 위해서, 표면상태(구간 표면높이, 폭의 변화)를 측정하였으며, 그 평균치를 아래의 표1에 도시하였다.

여기서, 수직높이는 일 요철의 높이를 의미하며, 수평높이는 인접한 요철의 정점간의 수평간격을 의미한다.

구분	요철의 수직높이(범위)	요철의 수평길이(범위)
플라즈마처리전(종래예)	0.542㎚(0.5∼0.6)	106㎚(95∼115)
플라즈마처리후(발명예)	2.83㎚(2.7∼2.9)	142㎚(140∼146)

상기한 표1에 나타난 바와 같이, 플라즈마 처리전에도 경화과정에서 발생되는 완만한 상태의 요철은 존재하지만, 플라즈마 처리에 의해 표면이 미세한 요철상태로 가공되었음을 확인할 수 있다.

상기한 샘플(제1 내지 제3 샘플)에 대해서 각각 처리 후에 휘도 및 배광특성을 측정하여, 이미 실시된 처리전의 각 샘플의 휘도 및 배광특성과 비교하였다. 아래 표2는 3개의 발광다이오드 패키지에 대한 휘도측정 결과를 나타낸다.

	샘플1	샘플2	샘플3
종래예 (플라즈마처리 전)	4.92 lm	5.13 lm	5.39 lm
발명예 (플라즈마처리 후)	5.76 lm	5.68 lm	6.30 lm
휘도증가율	17%	11%	17%

상기한 표1에 나타난 바와 같이, 본 발명에 따라 수지몰딩부 표면에 플라즈마 처리공정을 적용한 후에는, 휘도가 5.76 ∼ 6.30 lm 정도로, 처리 전에 비하여약 11∼17%의 높은 휘도 증가율을 보였다.

또한, 배광특성 측면에서, 동일한 방위에서 비교적 높은 휘도를 나타낼 뿐만 아니라 넓은 광분포특성을 나타내는 것으로 나타냈다.. 도6a 및 도6b는 제3 샘플에 해당하는 플라즈마 처리 전의 배광특성을 나타내는 그래프이며, 도7a 및 도7b는 동일한 제3 샘플의 수지몰딩부 표면에 플라즈마 처리 후(실시예)의 배광특성을 나타내는 그래프이다.

가장 넓은 방위각 범위를 살펴보면, 도6a 및 도6b에서는 0.17∼0.83 cd를 나타냈으나, 도7a 및 도7b에서는 0.36∼1.02 cd를 나타냈다. 또한, 동일한 방향에서 전반적으로 높은 칸델라값을 나타낸 것을 확인할 수 있었다. 이와 같이, 본 발명에 따른 수지몰딩부 표면의 플라즈마 처리공정을 통해서 휘도뿐만 아니라, 배향특성을 향상시킬 수 있다는 것을 알 수 있다.

이와 같이, 본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 하며, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명할 것이다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 수지몰딩부 표면에 플라즈마 처리를 이용하여 표면개질하여 미세 요철을 형성함으로써 수지몰딩부로부터 추출되는 광량을 증가시킬 수 있을 뿐만 아니라, 배광특성을 크게 향상시킬 수 있다.

Claims

발광다이오드의 실장영역과 상기 발광다이오드와 연결될 금속배선을 갖는 패키지 기판을 마련하는 단계;

상기 금속배선과 연결되도록 상기 패키지 기판의 실장영역에 발광다이오드를 실장하는 단계;

상기 발광다이오드가 밀봉되도록 상기 발광다이오드의 실장영역에 수지몰딩부를 형성하는 단계; 및

상기 수지몰딩부의 표면에 광산란을 위한 다수의 미세 요철이 형성되도록 상기 수지몰딩부 표면에 플라즈마 처리하는 단계를 포함하는 발광다이오드 패키지 제조방법.
제1항에 있어서,

상기 수지몰딩부는 에폭시 수지, 실리콘계 수지, 우레탄계 수지 또는 그 혼합물로 이루어진 것을 특징으로 하는 발광다이오드 패키지 제조방법.
제1항에 있어서,

상기 플라즈마 처리하는 단계는, 불활성 가스와 산소 가스가 혼합된 분위기에서 300∼1500W의 출력으로 1∼10분 동안 실시되는 것을 특징으로 하는 발광다이오드 패키지 제조방법.
제3항에 있어서,

상기 분위기는 불활성 가스와 산소 가스가 1:1∼3:1로 혼합된 분위기인 것을 특징으로 하는 발광다이오드 패키지 제조방법.
제1항에 있어서,

상기 패키지 기판은 실리콘 기판, 금속기판, 세라믹기판 및 폴리머기판 중 선택된 하나인 것을 특징으로 하는 발광다이오드 패키지 제조방법.
제5항에 있어서,

상기 플라즈마 처리하는 단계는, 상기 패키지 기판을 열처리하는 단계를 더 포함하는 것 특징으로 하는 발광다이오드 패키지 제조방법.
제6항에 있어서,

상기 열처리 온도는 80∼120℃인 것을 특징으로 하는 발광다이오드 패키지 제조방법.
제1항에 있어서,

상기 패키지기판은, 상기 실장영역에 대응하는 위치에 측벽이 상부를 향해 경사진 캐비티가 형성된 상부기판과, 상면 일영역이 상기 실장영역으로 제공되며 상기 금속배선이 형성된 하부기판을 포함하는 것을 특징으로 하는 발광다이오드 패키지 제조방법.
제8항에 있어서,

상기 상부기판의 경사진 내부측면에는 금속 반사층이 추가적으로 형성된 것을 특징으로 하는 발광다이오드 패키지 제조방법.